03 Aktionspotential

Bei der Bewegung eines Signals durch das Neuron und sein Axon geht es nur um Ionen. Ein Ion ist ein geladener Partikel wie etwa Na+, das Natriumion. Es weist positive Ladung auf, weil ihm ein Elektron fehlt. Andere Ionen sind natürlich auch negativ geladen.

Zellen haben Membranen, die aus Lipidmolekülen (Fetten) bestehen, und sie halten die meisten Dinge davon ab, in die Zelle hinein oder aus der Zelle hinaus zu strömen. Doch über die ganze Zellmembran sind Proteine verteilt, die zu beiden Seiten der Zellmembran herausragen. Einige dieser Proteine sind Ionenkanäle.

Die meisten Ionenkanäle erlauben Ionen schlicht, in die Zelle hinein oder aus der Zelle hinaus zu strömen. Wenn wir Diagramme zeichnen, stellen wir diese Kanäle gewöhnlich so dar, als wären sie kleine Löcher in der Zellmembran. Wie ich bereits erwähnte, sind es eigentlich komplexe Proteine. Schließt sich ein Ion an ein solches Protein an, verändert das Protein seine Form und trägt das Ion unterdessen zur anderen Seite der Membran, wo es freigesetzt wird. Es ist die normale Neigung aller Stoffe innerhalb und außerhalb einer Zelle, auf diese Weise Balance herzustellen: Wenn es auf einer Seite zu viel von einem chemischen Stoff gibt, fließt er zur andern Seite, bis die Balance hergestellt ist; wenn es zu viele positive oder negative Ionen auf einer Seite gibt, neigen sie dazu, auf die andere Seite zu strömen, bis die Balance wieder hergestellt ist.

Einige Kanäle werden als Gates bezeichnet. Je nach Umgebung können sie sich öffnen oder schließen. Für einige geht es dabei darum, welche chemischen Substanzen in einem Bereich des Gate anlagern. Für andere führt eine Veränderung der positiv-negativ Balance dazu, dass sie sich öffnen oder schließen. Im Neuron gibt es zahlreiche solcher Gates, eingeschlossen Natriumgates und Kaliumgates. Beide reagieren auf Veränderungen der positiv-negativ Balance.

Ein Beispiel für chemische Gates sind die Rezeptoren an den Dendriten eines Neurons: Wenn eine als Neurotransmitter bezeichnetet Substanz sich an einem Punkt an diesem Gate anlagert, öffnet sich das Gate, um Natriumionen ins Zellinnere zu lassen.

Andere Ionenkanäle werden als Pumpen bezeichnet. Sie nutzen Zellenergie, um Ionen sogar in die Zelle hinein oder aus der Zelle hinaus zu pumpen, mit Gewalt, könnte man sagen. Das beste Beispiel sind die Natrium-Kalium Pumpen auf den Membranen des Neurons. Diese Pumpen schieben Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen (K+) ins Zellinnere. Eigentlich erhalten sie ein Ungleichgewicht dieser Substanzen aufrecht.

Wenn Sie aufmerksam sind, stellen Sie fest, dass sowohl Natrium- als auch Kaliumionen positiv sind. Eigentlich haben Neuronen eine ziemlich starke negative Ladung im Innern, kontrastierend zur positiven Ladung außerhalb. Dies ist auf andere als Anionen bezeichnete Moleküle zurück zu führen. Sie sind negativ geladen, allerdings viel zu groß, um durch irgend einen Kanal nach außen zu strömen. Sie bleiben, wo sie sind, und verleihen der Zelle eine negative Ladung im Innern.

Nun, wenn sich ein Axon im Ruhezustand befindet, geben ihm die Anionen eine negative Ladung, die Natriumpumpen halten Natrium draußen und Kalium im Innern, und alle Natrium- und Kaliumgates sind geschlossen. Wegen der positiv-negativ Differenz zwischen Innen- und Außenbereich der Zelle, wird dieser Ruhezustand als Ruhepotential [engl.: resting potential] bezeichnet. Der Begriff Potential bezieht sich auf die Tatsache, dass es dort ein Potential für Veränderung gibt. Wir verwenden denselben Begriff für eine Batterie, die nur herumsteht, nicht angeschlossen ist: auch sie hat ein Ruhepotential.

Wenn Veränderungen, die in den Membranen der Dendriten und den Zellkörpern das Axon erreichen, reagieren die Natriumgates: einige von ihnen öffnen sich und lassen Natriumionen hinein, so dass das Zellinnere weniger negativ wird. Ist ein bestimmter als Schwellenwert bezeichneter Level erreicht, reagieren weitere Natriumgates und lassen noch mehr Ionen hinein…

Dann haben wir etwas, das als Aktionspotential bezeichnet wird – ein beweglicher Austausch von Ionen entlang des Axon. Es strömen so viele Natriumionen hinein, dass die Differenz zwischen Außen- und Innenbereich für sehr kurze Zeit tatsächlich umgekehrt ist: das Zellinnere ist positiv und der Außenbereich negativ.

Dann ändert sich die Situation: Die Natriumgates schließen und die Kaliumgates öffnen sich. Kalium strömt aus der Zelle, wodurch die Ladung innerhalb der Zelle zum Ausgangszustand zurückkehrt – negativ im Innern, positiv im Außenbereich.

Beachten Sie allerdings, dass das Natrium nun innerhalb der Zelle ist und das Kalium außerhalb, das heißt, sie sind am falschen Platz. Also beginnt die Natrium-Kalium Pumpe wieder ihre Arbeit und pumpt das Natrium zurück nach draußen und das Kalium zurück ins Zellinnere, und nun ist alles wieder im ursprünglichen Zustand.

Nun vollzieht sich all dies in jeweils einem kleinen Segment des Axon: in Abschnitt eins tritt Natrium ein; das hat zur Folge, dass Kalium in Abschnitt eins ausströmt und Natrium in Abschnitt zwei einzuströmen beginnt; dies wiederum hat zur Folge, dass Kalium in Abschnitt zwei ausströmt und Natrium in Abschnitt drei einströmt; und so weiter – wie eine Reihe Dominosteine, die nacheinander umfallen.

In dieser kleinen Graphik ist ein Axon dargestellt, Rot repräsentiert einströmendes Natrium und Orange repräsentiert ausströmendes Kalium.

Die Myelinschicht um viele Axone beschleunigt den Prozess erheblich: Statt eines winzigen Segments, das Aktion im benachbarten kleinen Segment auslöst, “springen” die Veränderungen von einer Spalte in der Schicht zur nächsten.
Dies wird als saltatorische Erregungsausbreitung [engl. saltatory conduction] bezeichnet, vom lateinischen Wort für “springen”.

Erreicht das Aktionspotential die Axonendigung, bringt dies ein weiteres Ion (Kalzium Ca++) dazu, in die Zelle einzuströmen, dies wiederum bringt die Vesikeln – die winzigen mit Neurotransmittern gefüllten Bläschen – dazu, ihre Fracht in den synaptischen Spalt auszuschütten. …

Erstaunlich, nicht?

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